Paper Análisis de Fallas de Varillas de Pozo Norris
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Análisis de Fallas en Varillas de Producciónpor Bombeo Mecánico
por:
Clayton T. Hendricks, Norris Inc.Russell D. Stevens, Norris Inc.
El Análisis de Fallas por Causa Raíz es Esencial
para la Reducción de Frecuencia de Fallas en los
Pozos con Elevación Artificial.
La mayoría de las fallas asociadas a los sistemas de
elevación artificial pueden ser atribuidas a uno de
tres componentes pozo abajo: bomba, varilla de
bombeo o tubería de producción. Una falla de
bomba, varilla de bombeo o tubería de producción
se define como un evento catastrófico que requiereque el personal de servicio saque o cambie uno o
más de estos componentes. Por esta definición, la
tasa de frecuencia de fallas es la cantidad total de
fallas de componentes que ocurren por pozo, por
año. Marginalmente, los pozos productores con
altas tasas de frecuencia de fallas a menudo se
clasifican como pozos “problemáticos” y las
prácticas eficaces de gerencia de fallas pueden
significar la diferencia entre operar y taponar estos
pozos. La gestión de fallas incluye prevención,
identificación, implementación y registro de la
causa raíz de cada falla y es esencial a una gestión
global de activos eficaz en costo. Para efectos deeste ensayo fotográfico, trataremos sólo con fallas
de varillas de bombeo.
La gestión de fallas eficaz en costo comienzacon prevención y el momento de detener la
siguiente falla es ahora - antes de un incidente.
Simplemente el pescar y colgar el pozo después de
una falla de varilla de bombeo no impedirá la
repetición de fallas. De hecho, la mayoría de las
fallas continúan con mayor frecuencia hasta quellega el momento en que toda la sarta de varillas
tiene que sacarse y reemplazarse. Las reducciones
de frecuencia de fallas que pueden lograrse exigen
un análisis preciso de la causa raíz y laimplementación de medidas correctivas para
impedir la repetición de las fallas. Se necesita una
base de datos capaz de indagar la historia del
“servicio de acondicionamiento” del pozo a fin de
rastrear e identificar las tendencias de fallas. Una
vez que la tendencia de fallas sea identificada, se
deberá poner en práctica las medidas deremediación durante los trabajos de
acondicionamiento para impedir fallas prematuras
de sartas de varillas. La historia de fallas en la base
de datos debe incluir la información sobre el tipo de
fallas, localización, profundidad, causa raíz y las
medidas correctivas puestas en práctica.Se puede causar que las varillas de bombeo
fallen prematuramente. Para el personal de
producción es muy importante entender los efectos
de daños que parezcan ser de poca envergadura y
saber cómo ese daño puede ocasionar fallascatastróficas. El análisis de fallas de varillas de
bombeo es desafiante y uno tiene que ser capaz de
mirar más allá de lo obvio y buscar pistas de lo que
no es tan obvio. Todo el personal de producción
debe tener capacitación y conocimientos adecuados
de análisis de causa raíz de fallas. El entendimiento
de cómo identificar fallas y sus factorescontribuyentes nos permiten unas nociones de lo
que se necesita para corregir la causa raíz de la
falla. Cada paso que se pueda efectuar para eliminar
las fallas prematuras de las varillas de bombeo se
debe tomar. Los programas de entrenamiento en
ejecución relacionados con las varillas de bombeo
deben incluir forums formales e informales que
profesen seguir las recomendaciones de fabricantes
para el diseño de elevación artificial,
procedimientos de preservación y manejo,
almacenamiento y transporte, tendido y retendido y
enrosque y desenrosque. En la actualidad, existe
una variedad de escuelas de entrenamiento y, conaviso anticipado, la mayoría de los cursos que éstas
ofrecen pueden ser dictados para satisfacer las
necesidades específicas del personal de producción.
Mecanismos de Fallas
Todas las fallas de varillas de bombeo, varillas
cortas y acopladores son fallas de tensión o fatiga.Las fallas de tensión ocurren cuando la carga
aplicada excede la resistencia a la tensión de la
varilla. La carga se concentrará en un punto en la
sarta de varillas, crea una apariencia de encuelladodescendente en torno a la circunferencia de la
varilla y ocurre una fractura cuando se reduce lasección transversal. Este extraño mecanismo de
falla sólo ocurre cuando se hala demasiada carga en
la sarta de varillas, tal como al tratar de sacar una
bomba atascada de su asentamiento. Para evitar las
fallas de tensión, el tirón de indicador de peso
máximo para una sarta de varillas en condiciones“como nueva” nunca debe exceder 90% de la
resistencia cedente para el tamaño y grado
conocidos de la varilla de bombeo con el menor
diámetro. Para condiciones, tamaños o grados de
varillas de bombeo no conocidos, un factorsuficiente de desclasificación debe aplicarse al peso
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máximo halado. Todas las otras fallas de varillas de
bombeo, varillas cortas y acopladores son fallas defatiga.
Las fallas de fatiga son progresivas y empiezan
como grietas pequeñas por esfuerzo que crecen bajo
la acción de esfuerzos cíclicos. Los esfuerzos
asociados a esta falla tienen un valor máximo quees menor que la resistencia a la tensión del acero dela varilla de bombeo. Puesto que la carga aplicada
es distribuida casi igualmente sobre la superficie
completa transversal de la sarta de varillas, todo
daño que reduce la superficie transversal aumentará
la carga o el esfuerzo en ese punto y aumenta el
esfuerzo. Una grieta pequeña por fatiga se forma en
la base del elevador del esfuerzo y se propaga
perpendicular a la línea de esfuerzo o al eje del
cuerpo de la varilla. A la vez que la grieta de
esfuerzo por fatiga avanza poco a poco, las
superficies de fractura remanente opuestas al frente
de la grieta que avanza tratan de separarse bajo lacarga y estas superficies se vuelven lisas y pulidas
de la raspadura. A la vez que la grieta de fatiga
avanza, se reduce la zona transversal efectiva de la
varilla de bombeo hasta que no queda suficiente
metal para sostener la carga y la varilla de bombeosimplemente se fractura en dos pedazos. Las
superficies de fractura de una falla típica de fatiga
tienen una parte de fatiga, una parte de tensión y un
desgarramiento por cizalladura final.
Las fallas de fatiga son iniciadas por una
multiplicidad de elevadores de esfuerzo. Loselevadores de esfuerzo son discontinuidades
visibles o microscópicas que ocasionan un aumentoen el esfuerzo local sobre la sarta de varillas
durante la carga. Los elevadores típicos visibles de
esfuerzos en las varillas de bombeo, varillas cortas
y acopladores son las curvas, corrosión, grietas,
daño mecánico, roscas y desgaste o cualquier
combinación de los antedichos. Este efecto de
esfuerzo incrementado es más crítico cuando la
discontinuidad sobre la sarta de varillas es
transversal (normal) al esfuerzo tensor principal. Aldeterminar el elevador de esfuerzo de una falla de
fatiga, la parte de fatiga opuesta al desgarramiento
de corte final (extrusión/protrusión) tiene que
limpiarse con cuidado y ser examinadocompletamente. Las fallas de fatiga tienen
características identificadoras visibles omacroscópicas sobre la superficie de la fractura que
sirven para identificar la ubicación del elevador de
esfuerzo. Se puede argumentar que las marcas de
trinquete y marcas de playa son dos de los aspectos
más importantes en la identificación de fallas de
fatiga. Las marcas de trinquete son líneas queresultan de la intersección y conexión de grietas
múltiples de fatiga por esfuerzo mientras que las
marcas de playa indican la posición sucesiva de la
grieta por fatiga que avanza. Las marcas de
trinquete son paralelas a la dirección general delcrecimiento de la grieta y conducen al punto de
inicio de la falla. Las marcas de playa son anillos
elípticos o semielípticos irradiantes al exterior delorigen de la fractura e indican las posiciones
sucesivas del crecimiento de la grieta de fatiga por
esfuerzo que avanza.
La Figura 1 es un ejemplo de mecanismos de
falla por tensión y fatiga. Los dos ejemplos a laderecha son fallas por tensión. Una falla por tensiónse caracteriza por una reducción del diámetro de la
zona transversal en el punto de fractura. Las fallas
típicas por tensión tienen mitades de fractura
cónica. El segundo ejemplo desde la derecha es
típico en aspecto para fallas por tensión. Las
fracturas de fallas por tensión se quiebran o cortan
en ángulos de 45° a los esfuerzos aplicados. Un
buen ejemplo del esfuerzo cortante constituye las
superficies de fractura cónica característica de una
falla típica por tensión. El cuerpo de la varilla es
principalmente responsable de esta falla aunque la
fractura haya ocurrido mientras que se trata desacar de su asiento a una bomba atascada. El
examen visual de la superficie de la fractura revela
una pequeña grieta semielíptica por fatiga de
esfuerzo. Esta varilla de bombeo tiene grietas
preexistentes de fatiga tipo esfuerzo transversal,debido a esfuerzos en servicio. Una de las grietas
por fatiga de esfuerzo se abrió durante la carga
recta y constante aplicada al tratar de desalojar la
bomba y entonces ocurrió la fractura. La falla por
tensión es secundaria y resulta en el aspecto
inusitado de la superficie de fractura con la parte pequeña de fatiga, la parte grande de tensión y
desgarramientos dobles por esfuerzo cortanteinusitadamente grandes de 45°.
Los ejemplos restantes son fallas por fatiga en:
varillas de bombeo endurecidas superficialmente,
varillas de bombeo normalizadas y templadas y
vástagos enfriados y templados. El ejemplo en el
extremo izquierdo es una falla por fatiga torsional
de una bomba de cavidad progresiva. Las marcas de
trinquete encontradas en la parte grande de fatiga y
originadas en la superficie del cuerpo de la varilla,circundan completamente la superficie de la
fractura en que se muestra la parte de desgarradura
pequeña por tensión un poco fuera del centro
medio. El segundo cuerpo de la varilla a la
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izquierda es una falla por fatiga endurecida
superficialmente. La carcasa que circunda eldiámetro del cuerpo de la varilla soporta la carga
para esta varilla de bombeo de alta resistencia a la
tensión y si uno penetra la carcasa, se destruye
efectivamente la capacidad de soportar carga que
tiene este tipo de varilla de bombeo fabricado. Lagrieta por fatiga de esfuerzo avanza alrededor de lacarcasa y progresa a través del cuerpo de la varilla.
Una falla por fatiga en una varilla de bombeo
endurecida superficialmente generalmente presenta
una pequeña parte de fatiga y un desgarramiento
grande por tensión. El tercer cuerpo de varilla desde
la izquierda es típico en aspecto para la mayoría de
las fallas por fatiga. Las fallas típicas por fatiga
tienen una parte de fatiga, una parte de tensión y un
desgarramiento por cizalladura final. La anchura de
la parte de fatiga es una indicación de la carga
implicada con la fractura. El daño mecánico puede
impedir o perjudicar el análisis de falla al destruirlos indicios visuales y características
identificadoras que se hallan normalmente en una
superficie de fractura por fatiga. Se debe tener
cuidado al manejar las mitades de la fractura. Es
muy importante resistir la tentación de ajustar lassuperficies finales de fractura puesto que esto casi
siempre destruye (mancha) las características
microscópicas. Para evitar daño mecánico, las
superficies de la fractura nunca deben tocarse al
hacer coincidir las superficies de la fractura.
Fallas de Diseño y Operación
La prevención de fallas de la varilla de bombeo
comienza con el diseño. Es posible que las sartas de
varillas diseñadas deficientemente contribuyan a
fallas de otros componentes en el sistema deelevación artificial, tales como tubería cortada por
varilla resultante de cargas compresivas de la
varilla. Diseñar el sistema de elevación artificial es
un compromiso entre la cantidad de trabajo a
realizar y el gasto de realizar esta labor sobre un
período de tiempo eficaz en costo. Al diseñador del
sistema se le ofrece una buena cantidad de
combinaciones de profundidades, tamaños detubería, volúmenes de fluido, tamaños y
configuraciones de bombas, tamaños unitarios y
geometrías, longitudes de carrera, velocidades de
bombas y ahusados de varillas. El tamaño y la
selección de grados de varillas dependen de muchos
factores incluyendo el pronóstico de esfuerzos
máximos, rangos de esfuerzos y ambientes
operativos.
Los programas de diseño por computadora quese ofrecen comercialmente permiten que el
diseñador de sistemas optimice los equipos de
producción al costo más bajo para las condiciones
de pozos existentes en el momento del diseño.Después del diseño inicial y la instalación de la
sarta de varillas, se deben utilizar estudios
dinamométricos periódicos para confirmar que los parámetros de carga de los equipos están dentro de
los considerados como aceptables. Un buen diseño
inicial puede convertirse en mal diseño si las
condiciones del pozo cambian. Los cambios en el
volumen de fluidos, nivel fluido, longitud decarrera, emboladas por minuto o tamaño de bombaafectan severamente el sistema total de elevación
artificial. Los cambios en corrosividad de fluidos
pueden afectar la vida de resistencia a la fatiga de
las varillas y pueden dar lugar a fallas prematuras.
Cuando una de las condiciones antedichas cambia,
el diseño del sistema de elevación artificial debe ser
reevaluado.
Las Figuras 2 y 3 son ejemplos de fallasmecánicas inducidas operacionalmente y por
diseño. El desgaste, la fatiga por flexión, fatiga por
flexión unidireccional y fallas por fatiga de
esfuerzo indican cargas compresivas de la varilla, pozos desviados, golpe de fluido, interferencia de
gas, varillas de bombeo bajo gran esfuerzo, tubería
anclada incorrectamente, fondo de rotulación de
bombas, émbolos de bombas que se atascan, tubería
desanclada o alguna combinación de los ya
mencionados.
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El desgaste ocasiona las fallas de varillas
reduciendo la sección transversal del metal,exponiendo el nuevo metal superficial a la
corrosión y ocasiona las fallas de juntas por
impacto y daño de resalto. El acopladores Clase T a
la izquierda, el acopladores Clase SM segundo de la
izquierda y el cuerpo de la varilla a la izquierda sontodos ejemplos de desgaste. El desgaste en la sartade varillas de bombeo se define como la remoción
progresiva del metal superficial por contacto con la
tubería. El desgaste que es igual en longitud,
anchura y profundidad normalmente sugiere un
hueco de pozo desviado o torcido. Los patrones
angulados indican sartas de varillas que de manera
agresiva tocan la tubería a un ángulo, normalmente
como resultado de golpe de fluido o tubería
desanclada (anclada incorrectamente). El cuerpo de
varilla del medio representa un desgaste de
corrosión-abrasión. El desgaste también quita
corrosión inhibiendo películas y expone nuevosmetales superficiales a fluidos de pozos corrosivos
que aceleran la tasa de corrosión. El acopladores
Clase T al extremo derecho tiene una cresta
endurecida por el trabajo debido a desgaste de
golpeteo de tubería. El desgaste de golpeteo detubería es el resultado de apilamiento de sarta de
varillas - probablemente como resultado de
rotulación de bomba, interferencia de gas o golpe
de fluido. El material endurecido por trabajo no se
gasta tan rápido como el material más blando en
ambos lados de la zona endurecida por trabajo, ydeja una cresta de material a medida que el resto
del acopladores se desgasta.El segundo cuerpo de varilla desde la izquierda es
una falla de fatiga por flexión. Las fallas de fatiga
por flexión ocurren del movimiento de la sarta de la
varilla que tiene un movimiento lateral o de lado
constante durante el ciclo de bombeo. Las grietas
de fatiga por esfuerzo debidas a la flexión se
concentrarán a lo largo de la superficie de la varilla
donde ocurren los esfuerzos mayores de flexión.
Las grietas finas, transversales de fatiga poresfuerzo estarán en una mitad de la circunferencia
del cuerpo de la varilla con poca separación cerca
de los resaltos de la varilla. La mayoría de las fallas
por fatiga de flexión ocurren sobre la conexión enla zona de transición del cuerpo de la varilla entre
el acopladores rígido y la zona de resalto y elcuerpo de varilla más flexible. Las fallas por fatiga
de flexión no presentarán curvas permanentes
puesto que este problema ocurre mientras que la
sarta de varillas está en movimiento. El ejemplo al
extremo derecho es una falla de fatiga por flexión
unidireccional. Este tipo de falla generalmente tienedos puntas sobresalientes sobre la superficie de la
fractura. Estas características distintas de fallas
indican un desgarramiento de borde doble
cizallado. Los desgarramientos de borde doble
cizallado son el resultado directo de los esfuerzosde flexión unidireccional, con fracturas que ocurren
en cargas compresivas de varilla. Las cargas
compresivas de varilla pueden ser el resultado de bombas de taladrado grande con varillas de bombeo
de pequeño diámetro o ahusados múltiples en pozos
someros.
La segunda muestra de cuerpo de varilla a la
derecha es una falla de fatiga por esfuerzo. Lasfallas de fatiga por esfuerzo ocurren en varillas de
bombeo sujetas a gran esfuerzo como resultado de
varillas desgastadas, sobrecargas o cargas de varilla
sumamente grandes durante lapsos cortos de
tiempo. Las fallas de fatiga por esfuerzo tienen
grietas de fatiga por esfuerzo finas, transversales de
poca separación que circundan completamente la
circunferencia del cuerpo de la varilla. Las grietas
de fatiga por esfuerzo estarán en el cuadrado de la
llave y por toda la longitud del cuerpo de la varilla.
Con varillas de bombeo muy viejas, pueden ocurrir
grietas y falla de fatiga por esfuerzo dentro de las
cargas operativas normales de cada día.La Figura 4 es un ejemplo de golpeteo deacoplador a tubería. El golpeteo de acoplador a
tubería es el resultado de contacto de ángulo
extremadamente agresivo con la tubería por la sarta
de varillas. Este contacto agresivo es el resultadodirecto de golpe severo de fluido, tubería
desanclada (o anclada incorrectamente),
atascamiento de émbolos de bomba (o émbolos
atascados), o cualquier combinación de los
mencionados.
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La Figura 5 es un ejemplo de daño relacionadocon guía para varilla. El ejemplo a la izquierda esuna varilla de bombeo de alta resistencia a la
tensión, reacondicionada. El flujo de fluido
turbulento, asociado a las guías cortas para varilla
moldeadas con inyección por extremo romo,
permitió corrosión de fisura en la zona crítica delavado alrededor del extremo de la guía. Antes de lainspección, se sacaron las guías para varilla
moldeadas del cuerpo de la varilla para
reacondicionamiento. Las varillas de bombeo Clase
1 reacondicionadas no pueden tener
discontinuidades mayores a 20 milipulgadas
(0,020") según Especificación API 11BR. La
corrosión de fisura era menor a 20 mili pulgadas
permitidas para una varilla de bombeo Clase 1
reacondicionada. Sin embargo, la sensibilidad a la
entalla (intolerancia de discontinuidad) de una
varilla de bombeo de alta resistencia a la tensión es
alta. En otras palabras, pequeños huecos pueden ser perjudiciales a los esfuerzos de alta resistencia a la
tensión asociados a la varilla de bombeo de alta
resistencia y las varillas de bombeo de alta
resistencia reacondicionadas deben ser
desclasificadas en su capacidad de carga. Elejemplo en el medio es una falla de
erosión/corrosión resultando de guías cortas de
varilla con extremo romo, aplicadas en campo, en
tubería pequeña con altas velocidades de fluido.
Los huecos de erosión/corrosión serán cortados por
fluido con fondos muy lisos. Las características enforma de hueco incluyen bordes afilados y lados
empinados si están acompañados de huecos lisosanchos o de CO2 con bordes biselados si están
acompañados de H2S. El ejemplo a la derecha es
desgaste por abrasión de una guía aplicada en
campo moviéndose hacia arriba y abajo en el
cuerpo de la varilla durante el ciclo de bombeo.
Generalmente, las guías para varilla moldeadas
proporcionan un mejor flujo laminar, una fuerza de
adhesión y sujeción como mínimo tres a cuatro
veces mayor y son más eficaces en costo que lasguías para varilla aplicadas en campo.
Fallas Mecánicas
Las fallas mecánicas representan un porcentaje
grande del número total de todas las fallas de sarta
de varillas. Las fallas mecánicas incluyen todo tipo
de desperfecto excepto defectos de fabricación y
fatiga por esfuerzo/corrosión. El daño mecánico a
la sarta de varillas contribuye a un elevador de
esfuerzo que ocasionará fallas de varilla de
bombeo. El tiempo a la falla será influenciado por
muchas variables, de las cuales las más importantesserán el esfuerzo máximo, ambiente operativo,
orientación del daño, química de la varilla de
bombeo, tipo de tratamiento térmico de la varilla,
gama de esfuerzos y tipo de daño. El dañomecánico puede ser causado por diseño inadecuado,
procedimientos incorrectos de preservación y
manejo, procedimientos descuidados de enrosque ydesenrosque, prácticas operativas desactualizadas o
cualquier combinación de estos elementos.
Fallas de Varillas Dobladas
Las fallas de fatiga por flexión representan un
número significativo de todas las fallas mecánicas.
Es un hecho que todos las varillas de bombeo
doblados fallarán algún día. Las nuevas varillas de
bombeo son fabricadas a la rectitud de un cuerpo de
no menos de 1/16 pulgadas en cualquier tramo de
doce pulgadas de largo de cuerpo de varilla. Las
varillas de bombeo dentro de esta tolerancia de
rectitud rodarán con facilidad en un casillero a nivel
con cinco apoyos. Cualquier grado de flexión
mayor que esto ocasionará un aumento del esfuerzo
local en el punto de la flexión durante la carga
aplicada. Cuando el cuerpo de la varilla doblada sehala recto durante la carga, se alcanza rápidamentela resistencia máxima del material. El ciclo de
exceder continuamente la resistencia máxima del
material se repite durante el ciclo de bombeo y
causa grietas de fatiga por esfuerzo en el lado
cóncavo de la flexión. Estas grietas de fatiga por
esfuerzo avanzan a través de la barra, durante la
carga, hasta que no queda suficiente metal en la
barra para sostener la carga y así ocurre la fractura.
Enderezar el material bruto de barra es el primer
paso en el proceso de fabricación de las varillas de
bombeo. El enderezamiento en frío de la barra
deforma la estructura granular a un punto inferior ala temperatura de recristalización, lo que impone
una tensión en la barra que va acompañada de su
efecto de endurecimiento por acritud. Durante el
proceso de fabricación, la función de tratamiento
térmico es aliviar el esfuerzos residuales einducidos ocasionados por la laminación de las
barras, los procesos de enderezamiento de barra y
del fraguado de los resaltos de las varillas. El
tratamiento térmico cambia la estructura
metalúrgica de los extremos forjados para coincidir
con la del cuerpo de la varilla y también controla
las propiedades mecánicas de la varilla de bombeo.
Toda curva de cuerpo de varilla creada después deltratamiento térmico ocasiona endurecimiento del
trabajo que crea una zona de dureza diferente de las
superficies circundantes. Esta condición se
denomina “punto duro” y es un elevador de
esfuerzo a la carga. El procesamiento mecánico, tal
como pasar la varilla de bombeo acabado por un
sistema de rodillos, intentará eliminar la doblez de
manera que parezca recta. Sin embargo, los
procesos de reacondicionamiento no son capaces dealiviar los esfuerzos de las varillas de bombeo
dobladas. Una varilla de bombeo doblada está
dañada permanentemente y no se debe usar ya que
llegará el momento en que todas las varillas de bombeo dejarán de funcionar.
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La Figura 6 (con la Figura 7 interpuesta) es unejemplo de fallas de fatiga por doblez. Las fallas de
fatiga por flexión pueden ser identificadas por unasuperficie de fractura a un ángulo, que se
encontrará a cierto ángulo que no sea a 90° del eje
del cuerpo de varilla. El ejemplo a la izquierda
ilustra una fractura provocada por una flexión deradio largo o arco gradual en el cuerpo de la varilla(el ejemplo a la izquierda en el Figura 7). La
superficie de la fractura tiene un aspecto normal
pero cuenta con un ángulo ligero cuando se
compara con el eje del cuerpo de la varilla. El
ejemplo del medio es una doblez de radio corto
(ejemplo a la derecha en la Figura 7). La superficie
de la fractura está a un ángulo mayor del eje del
cuerpo de la varilla con una parte pequeña de fatiga
y una parte grande de desgarramiento por tensión.
El ejemplo a la derecha es el resultado de una
varilla de bombeo en forma de sacacorchos.
Observe lo complicadísimo que es el aspecto de lasuperficie de la fractura. Por lo general, mientras
mayor sea la doblez en el cuerpo de la varilla, más
complicado será el aspecto en las superficies defracturas. La aplicación de malos procedimientos de
preservación y manejo normalmente ocasionan que
se doblen las varillas.
Fallas de Daños Superficiales
Se debe hacer todo lo posible para impedir daños
mecánicos superficiales a las varillas de bombeo,
varillas cortas y acopladores. Los daños
superficiales aumentan los esfuerzos durante las
cargas aplicadas, con la potencialidad de ocasionar
fallas de la sarta de varillas de bombeo. El tipo de
daños y su orientación contribuye a este efecto de
esfuerzos mayores. La orientación del daño
contribuye a mayores esfuerzos con daño
transversal teniendo un aumento de esfuerzos sobre
aquellos asociados a daño longitudinal. Una
picadura aguda creará una mayor concentración deesfuerzo y sería más perjudicial a la carga que unadepresión somera esparcida por la zona. Las
varillas de bombeo con indicaciones de daños
superficiales no deben ser usadas y deberán
cambiarse. Se debe tener cuidado en evitar todo
contacto de metal con metal que resulte en
abolladuras, picaduras o arañazos. Para impedir un
posible daño a las varillas de bombeo, coloque tiras
de madera entre los casilleros metálicos de
almacenamiento y entre cada hilera de las varillas
de bombeo de modo que el contacto de metal con
metal se evite. Use las varillas de bombeo para lo
que las mismas han sido diseñadas - para levantaruna carga. Nunca use las varillas de bombeo como
un pasadizo o banco de trabajo. Mantenga las
herramientas de metal que no se destinan para uso
en las varillas de bombeo y todos los demás objetos
de metal apartados de las varillas. Cerciórese que laherramienta que utiliza está destinada para la
función que realiza y asegúrese que esté en
condiciones apropiadas de operación.
La Figura 8 es un ejemplo de diversas fallas por daños superficiales. El ejemplo a la izquierda
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muestra una depresión ligera de una llave,
herramienta u otro objeto de metal. El segundoejemplo de la izquierda ilustra un daño de una llave
para tubería usada en la aplicación de guías para
varilla instaladas en el campo. El segundo ejemplo
de la derecha tiene un arañazo longitudinal pequeño
por contacto de metal con metal, al permitir que lasvarillas de bombeo corran por otras varillas en unhaz de varillas durante instalación. El ejemplo a la
derecha presenta daño superficial transversal.
La Figura 9 es un ejemplo de daño superficialocasionado por elevadores para varillas de bombeo.
El ejemplo inferior representa un daño de asientos
de elevador desgastados o desalineados. Después de
un período prolongado de servicio, los asientos de
elevador se desgastan tanto que desarrollan unaforma ovalada en vez de una forma redonda. A la
vez que la forma ovalada crece, el anillo detangencia del resalto de la varilla con la cara del
asiento del elevador se baja en la mitad delantera
del asiento. A la vez que el asiento sigue
desgastándose, la posición de asiento del resalto de
la varilla se mueve adelante de la línea central del
muñón del elevador. Esto causa un desplazamiento
en la carga del gancho y hace que se incline el
cuerpo del elevador hacia adelante. Cuando el
elevador levanta la carga de la sarta de varillas, la
carga del gancho doblará la línea central de la
varilla de bombeo para que coincida con la línea
central del muñón del elevador. A la vez que el
peso de la sarta de varillas aumenta, la carga delgancho doblará todas las varillas de bombeo que
este elevador engancha. Las fallas de las varillas de bombeo dobladas que ocurre abajo de la cresta del
resalto superficial pueden ser debido a malos
asientos de elevador. El ejemplo superior es un
daño ocasionado por los pestillos del elevador. Este
tipo de daño ocurre normalmente como resultado de
levantar o tender piezas en dobles. Nunca se debe
levantar o tender en el piso más de una sola varilla
de bombeo. Todo lo demás ocasiona que los
pestillos del elevador actúen como un fulcro y
permita que los esfuerzos de flexión se concentren
en la zona de transición del cuerpo de la varilla y elresalto forjado.
Fallas de Conexión
La conexión API de la varilla de bombeo está
diseñada como conexión con reborde cargada con
fricción. Puesto que la resistencia a la fatiga de la
conexión de la varilla de bombeo es baja cuandosometida a cargas cíclicas, es necesario limitar las
cargas cíclicas con precarga de unión macho. Si la
precarga de unión macho es mayor que la carga
aplicada, la carga en la conexión sigue constante y
no ocurre fatiga de cargas cíclicas. La carga de
fricción que se desarrolla en la cara del reborde de
la unión macho y la carga del reborde del acoplador
sirve para afianzar la conexión entre las dos para
impedir que se destornille dentro del pozo. Sin
embargo si la precarga es menor que la carga
aplicada, la cara del reborde de la unión macho y el
reborde del acoplador se separará durante el
movimiento cíclico de la unidad de bombeo. Unavez que estas caras se separan, la conexión se cargacíclicamente y resultará en una falla consistente en
pérdida de desplazamiento o pérdida de apriete. Las
fallas de pérdida de desplazamiento pueden surgir
de lubricación inadecuada, enrosque inadecuado,
demasiada fuerza de apriete, desgaste de golpeteo
de tubería o cualquier combinación de estos
elementos.
La Figura 10 es un ejemplo de fallas de uniónmacho debido a una pérdida de desplazamiento. La
muestra a la derecha es típica en aspecto para una
falla de pérdida de desplazamiento de la unión
macho. El enrosque insuficiente o la pérdida deapriete causó la separación de la cara del reborde de
la unión macho y la cara del reborde del acoplador.
Cuando estas caras se separan, un movimiento de
flexión se agrega a la carga de tensión en la unión
macho. La parte roscada de la unión macho semantiene rígida mientras que el resto de la unión
macho se dobla. El movimiento de la sarta de
varillas ocasiona que empiece agrietamiento de
fatiga por esfuerzo en la raíz de la rosca que se
forma completamente primero sobre el subcorte.
Las pequeñas grietas de fatiga por esfuerzo
empiezan a lo largo de la raíz de rosca y se
consolidan en una grieta principal de fatiga poresfuerzo. La superficie de la fractura de una pérdida
típica de la falla por desplazamiento de la unión
macho tiene una pequeña parte de fatiga que cubre
aproximadamente un tercio de la superficie de la
fractura con la parte de desgarramiento por tensión
y el desgarramiento final de cizalla que abarca la
superficie restante de la fractura. Los ejemplos a la
izquierda y en el medio ocurrirán como resultado
de carga de esfuerzo cuando los factores elevadoresde tensión tales como corrosión o daño mecánico
estén presentes en la superficie del subcorte de la
unión macho.
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La Figura 11 es otro ejemplo de dos tipos de fallasde unión macho. La muestra a la izquierda es típica
en aspecto de una falla debido a pérdida de
desplazamiento. Sin embargo, esta fractura de
unión macho fue ocasionada por las llaves
hidráulicas para varillas durante el enrosque según
evidenciado por el desgarramiento por tensión
escalonado. No es poco común que las fracturas de
unión macho ocurran en el enrosque, si la unión
macho tiene una grieta preexistente de fatiga poresfuerzo debido a la gran fuerza torsional exigida
durante el enrosque de juntas con las varillas de
bombeo de todos los tamaños de alta resistencia a la
tensión y de gran diámetro Clase D. La muestra a la
derecha es un ejemplo de fuerza torsional excesiva
en una unión macho blanda. La superficie de lafractura tiene una parte grande de fatiga, con
múltiples marcas de trinquete en la raíz de la roscade unión macho y una pequeña parte de tensión.
La Figura 12 es un ejemplo de una falla por pérdida de desplazamiento. La fractura iniciada en
la raíz de rosca del acoplador opuesta a la roscainicial de la unión macho completamente formada
primero. Las mitades de la fractura de un tercio y
dos tercios, en longitud, con marcas de trinquete
que se originan en la raíz de la rosca indican una
falla de acoplador por pérdida de desplazamiento.La superficie de la fractura de una pérdida típica defalla de acoplador por desplazamiento tiene una
parte de fatiga pequeña y una parte grande de
desgarramiento por tensión. Las fallas de pérdidade acoplador por desplazamiento están asociadas
principalmente a las varillas de bombeo Clase D y
las varillas de bombeo de alta resistencia a la
tensión.
Las fracturas de acoplador a media longitud conmarcas de trinquete que vienen del exterior indicanotro tipo de falla. La grieta de fatiga por esfuerzo
empieza desde la superficie exterior del acoplador,
avanzando internamente hacia las roscas, luego en
torno a la pared del acoplador a una fractura por
tensión. Las fracturas a media longitud indican
fallas de acoplador debido a daño mecánico a la
superficie del acoplador, excediendo el límite de
resistencia de la fatiga por esfuerzo del material o
un defecto de fabricación. La mayoría de las
fracturas de acoplador a media longitud debidas a la
sobrecarga tienen una pequeña parte de fatiga y una
parte grande de desgarramiento por tensión. Estafalla es común con las varillas de bombeo de alta
resistencia a la tensión y acopladores Clase SM.
Use acopladores Clase T para evitar fallas de
acoplador a media longitud con las varillas de
bombeo de alta resistencia a la tensión.
La Figura 13 es un ejemplo de desfileteado deroscas en la conexión de las varillas de bombeo. El
desfileteado de roscas es un daño mecánico a la
varilla de bombeo y/o a las roscas de acoplador. El
desfileteado de roscas es el resultado de roscas
dañadas o contaminadas que ocasionan que lainterferencia entre las roscas sea lo suficiente para
desgarrar y destrozar las superficies de las roscas.
Las roscas se funden durante el enrosque y se
separan desfileteándose al desenrosque y la
conexión se daña y destruye imposibilitando su uso posterior. El daño de enchufado duro a la rosca
delantera y las roscas contaminadas son las causas
principales del desfileteado de las roscas. La
limpieza de las roscas antes del enrosque,
lubricando correctamente las roscas y siguiendo
procedimientos cuidadosos de enrosque impedirán
el desfileteado de las roscas.
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La Figura 14 es un ejemplo de fallas decuadrado de llave. Las fallas de cuadrado de llave
son extremadamente raras y ocurren con poca
frecuencia a menos que sea de un daño mecánico,corrosión o defecto de fabricación. El ejemplo a la
izquierda es una falla de cuadrado de llave debido a
daño mecánico severo. Una retención suelta o
descuidada en las llaves hidráulicas para varillas ha
redondeado la esquina cuadrada de llave. La grieta
de fatiga por esfuerzo empezó en la esquina del
cuadrado de llave y avanzó hasta ruptura o fractura
final. El ejemplo a la derecha es una falla de
cuadrado de llave debida a un defecto de
fabricación. La falla comenzó en la marca de
estampa del troquel y es un ejemplo de falla de
profundidad de estampa de troquel excesiva. Las
marcas de estampa de dado pueden convertirse enentalladuras que sirven como elevadores de
esfuerzo si la profundidad del estampado por
troquel durante el proceso de forjado, no es
controlado y mantenido dentro de las pautas de la
Especificación API 11B, Tolerancias Admisibles.
La Figura 15 es un ejemplo del daño que ocurrecomo resultado de apretar demasiado yseveramente la conexión de las varillas de bombeo.
El ejemplo ilustrado es un acoplador apretado
demasiado que se ha abombado o combado cerca
de la cara de contacto. Los acopladores de hueco dediámetro pequeño son más susceptibles de este tipo
de daño de apriete excesivo que los acopladores de
tamaño completo. Los acopladores de tamaño
completo apretados demasiado en las varillas de bombeo Clase y de alta resistencia generalmente
presentan abultamientos ligeros y tienen la cresta de
deformación concéntrica de material en la cara de
resalto del acoplador debido a la impresión de la
cara de resalto de la unión macho. El aprieteexcesivo con llaves hidráulicas para varillasdesalojará las uniones macho suaves resultando en
un aspecto de falla por tensión. El subcorte de la
unión macho se desprenderá hacia abajo y la
fractura ocurre rápidamente. Con las varillas de
bombeo Clase D, una indicación de demasiado
apriete es la cresta de deformación concéntrica de
material en la cara de resalto de la unión macho
debido a la impresión de la cara de resalto del
acoplador. El apriete excesivo sobre las varillas de
bombeo normalizadas y templadas de alta
resistencia a la tensión empezará a sacar las roscas
del acoplador.
La Figura 16 es un ejemplo de grietas deimpacto en acopladores. No se debe permitir la
práctica de “calentar” o martillar sobre acopladores
para aflojarlos. Este ejemplo muestra cómo el daño
de impacto a un acoplador Clase T ocasiona grietasde fatiga por esfuerzo e torno a los puntos de
impacto y corrosión localizada acelerada. Martillar
sobre acopladores Clase SM ocasiona grietas de
fatiga por esfuerzo en la superficie dura de rociado
y resulta en una falla de acoplador debido a fatiga
por esfuerzo/corrosión.
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Figura 17 es un ejemplo de fallas de varillas pulidas. La mayoría de las fallas de varillas pulidasocurren en el cuerpo, justamente debajo de la
abrazadera del varilla pulida o en la unión macho.
Las fallas del cuerpo de varilla pulida debajo de la
abrazadera de la varilla pulida se deben a la
añadidura de esfuerzos de flexión. Estos esfuerzosde flexión pueden ser impuestos por equipos de
bombeo desalineados, barras portadoras que no
asientan a nivel, barras portadoras desgastadas,
celdas de carga desalineadas o instalación
incorrecta de la abrazadera del varilla pulida. La
falla de la varilla pulida a la izquierda es un
ejemplo de una abrazadera de varilla pulida en la
parte rociada de una varilla pulida metalizada por
soplete. Las varillas pulidas metalizadas por soplete
tienen una parte no rociada para la colocación de la
abrazadera de varilla pulida. Nunca ponga una
abrazadera en la parte rociada de una varilla pulida.
La falla del varilla pulida a la derecha tiene pequeños arañazos longitudinales ocasionados por
mal manejo.
Las fallas de la unión macho del varilla pulida
generalmente ocurren debido a la instalación de
acopladores de varillas de bombeo. Las unionesmacho de la varilla pulida tienen un ahusado de
rosca de 9° entre la parte roscada recta y el resalto.
Los acopladores de las varillas de bombeo tienen
una rosca inicial de 30° y un rebajo profundo que
generalmente no engancha todas las roscas de la
unión macho del varilla pulida. Los acopladores dela varilla pulida tienen una rosca inicial de 9° y un
perfil diseñado para encajar correctamente en launión macho del varilla pulida. El rebajo somero de
la rosca distingue fácilmente los acopladores de
varilla pulida de los acopladores de varillas de
bombeo y permite que todas las roscas de la unión
macho de la varilla pulida encajen.
Fallas de Corrosión
La corrosión es uno de los mayores problemas quese encuentran con los fluidos producidos y
representa alrededor de la mitad de todas las fallas
de las varillas de bombeo. La corrosión es el
resultado destructivo de una reacciónelectroquímica entre el acero usado en la
fabricación de las varillas de bombeo y el ambienteoperativo al que se somete. Dicho en palabras
sencillas, la corrosión es la manera en que la
naturaleza convierte un material hecho por el
hombre de un estado de mayor energía (acero), de
vuelta a su estado elemental (mineral nativo) como
se encuentra en la naturaleza. El hierro elemental enel acero se combina con la humedad o ácidos para
formar otros compuestos tales como sulfuro,
carbonato, óxido de hierro, etc. Alguna forma y
concentración del agua está presente en todos los
pozos considerados como corrosivos y la mayoríacontiene cantidades considerables de gases e
impurezas disueltas. Por ejemplo, los gases ácidos
que son el ácido carbónico (CO2) y el ácidosulfídrico (H2S), comunes en la mayoría de los
pozos, son sumamente solubles en agua y se
disuelve rápidamente en la misma, lo que tiende a
bajar su pH. La corrosividad del agua es una
función de la cantidad de estos dos gases que semantienen en solución. Todas las aguas con valores
pH bajos se consideran corrosivas al acero, con los
valores más bajos representando mayor acidez o
corrosividad.
Todos los ambientes pozo abajo son corrosivos
hasta cierto punto. Algunos fluidos corrosivos
pueden ser considerados no corrosivos si la tasa de
penetración de la corrosión, registrada como
milésimas de pulgadas perdidas por año (mpy) es
suficientemente baja para no ocasionar problemas.
Sin embargo, la mayoría de los pozos productores
se ven afectados por problemas de corrosión y no
existe ninguna varilla de bombeo fabricada en laactualidad que pueda resistir con éxito los efectos
de esta corrosión por si sola. Aunque la corrosión
no se puede eliminar completamente, es posible
controlar su reacción. Todos los grados de las
varillas de bombeo deben ser protegidas de maneraadecuada mediante el uso de programas eficaces de
inhibición química (se hace referencia a ediciones
actuales de la Especificación API 11BR y Norma
RPO195 NACE). Algunos grados de varillas de
bombeo, debido a combinaciones diferentes de
elementos de aleación, microestructuras y nivelesde dureza, son capaces de dar una vida de servicio
más larga en pozos corrosivos inhibidosquímicamente que otros grados de aceros de baja o
alta resistencia a la tensión.
¿Por qué parece que las varillas de bombeo nuevas
se corroen más rápidamente que las varillas de
bombeo viejas en la misma sarta? Dos varillas de
bombeo con el mismo análisis químico formarán
una celda de corrosión galvánica si el estado físico
de una es diferente de la otra. Las diferencias
físicas en una varilla de bombeo puede serocasionado de prácticas deficientes de preservación
y manejo (o sea, daño superficial resultando en
dobleces, golpes, picaduras) y/o depósitos de
corrosión. Puesto que las varillas de bombeonuevas entran en el pozo sin depósitos de corrosión,
a menudo se corroen preferentemente en relacióncon las varillas que están revestidas de depósitos de
corrosión. La corrosión en acero empieza de
manera muy agresiva pero a menudo se hace más
lenta tan pronto como una película superficial
obstructiva de depósito de corrosión (escama) se
forma sobre la superficie de metal. Por ejemplo, elCO2 genera una escama de carbonato de hierro
como subproducto de su corrosión. Esta escama
reviste la varillas de bombeo y retarda la tasa de
penetración de la corrosión que tiende a disminuir
la velocidad de corrosión. Sin embargo, si estedepósito es agrietado continuamente por un
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movimiento de flexión o eliminado por abrasión, la
corrosión local agresiva continúa en la zona con laescama eliminada y da lugar a una picadura
profunda de corrosión.
¿Pueden las varillas de bombeo de alta resistencia a
la tensión ser usadas en un ambiente corrosivo?
Generalmente, las varillas blandas toleran lacorrosión mejor que las varillas duras y, es la reglageneral que uno siempre debe usar la varilla más
blanda que maneje la carga. Sin embargo si los
requisitos de carga dictan el uso de las varillas de
alta resistencia a la tensión, entonces es importante
proteger las varillas con una eficaz película
superficial de inhibidor de corrosión. En la mayoría
de los casos, si usted puede proteger
adecuadamente los equipos pozo abajo contra la
corrosión, uno debe ser capaz de proteger
adecuadamente contra la corrosión a las varillas de
bombeo de alta resistencia a la tensión si aumenta
la frecuencia de aplicación del programa deinhibidor de corrosión. En otras palabras, si uno
trata eficazmente una vez por semana con 40 partes
por millón (ppm) de inhibidor de corrosión para las
varillas clase D, se necesitará tratar por dosificación
dos veces a la semana con 40 ppm de inhibidor decorrosión para las varillas de alta resistencia a la
tensión. Los volúmenes de tratamiento varían y
dependen de muchos factores que son muy
numerosos para nombrar. Siempre consulte con un
especialista de control de corrosión antes de la
instalación de toda sarta de varillas, especialmentecuando se sospecha una fatiga de corrosión por
esfuerzo como la causa origen de la falla.
La Figura 18 es un ejemplo de fatiga de corrosión por esfuerzo de la corrosión CO2. El tamaño del
hueco, respecto a cuando puede causarle perjuicio a
la varilla, depende de dos factores: tipo y dureza del
material. Las varillas de bombeo Clase K pueden
desarrollar picaduras más grandes y más profundas
que la varilla de bombeo tipo D antes que se vuelva
perjudicial a las varillas. las varillas de bombeo
Clase D pueden desarrollar picaduras más profundas y más grandes que una varilla de alta
resistencia a la tensión antes que se vuelva
perjudicial a las varillas. Los materiales más
blandos con bajo nivel de esfuerzo de varillatoleran picaduras mayores que los materiales más
duros con esfuerzo más alto de varilla. Por lo tanto,
las picaduras pequeñas pueden ser perjudiciales a
las varillas de bombeo de alta resistencia a la
tensión por oposición a una varilla más blanda queno tenga tanto esfuerzo de varilla.
Corrosión por Ácidos
Las compañías de servicio usan ácidos para
estimulación y labores de limpieza de pozos. Todas
las labores de ácido deben tener un inhibidor
mezclado con el ácido antes de la inyección en el
pozo. Los ácidos gastados aun son corrosivos al
acero y el pozo, y el pozo debe ser “lavado” lo
suficiente para recuperar todo el ácido. En raros
casos, algunas aguas producidas contienen ácidos
orgánicos que se han formado pozo abajo, talescomo los ácidos acético, sulfídrico y sulfúrico. La
corrosión de ácido es un adelgazamiento de metal,
que deja la superficie con el aspecto de nódulos
metálicos residuales agudos, plumados o como
telaraña. Las escamas metálicas no se formarán enlas picaduras. La muestra a la izquierda en laFigura 5 es un ejemplo de corrosión de ácido.
Corrosión por Cloruros
Los cloruros contribuyen a la probabilidad de un
aumento de fallas relacionadas con las varillas de bombeo. La corrosividad del agua aumenta a la vez
que la concentración de cloruros aumenta. Los
inhibidores de corrosión tienen más dificultad en
llegar y proteger la superficie de acero de las
varillas de bombeo en pozos con altas
concentraciones de cloruros. La corrosión, de las
aguas con altas concentraciones de cloruros, tienen
la tendencia de ser más agresiva a las varillas de
bombeo de acero al carbono que a las varillas de bombeo de acero de aleación. La corrosión por
cloruros tiende a picar uniformemente toda la
superficie de la varillas de bombeo con picaduras
someras con fondo plano y de forma irregular. Lascaracterísticas de forma de picaduras incluyen
paredes empinadas y bordes afilados de picaduras.
Corrosión por CO2
El CO2 se combina con agua para formar ácido
carbónico que baja el pH del agua. El ácidocarbónico es muy agresivo al acero y resulta en
grandes zonas de pérdida rápida de metal que
pueden desgastar completamente las varillas de
bombeo y acopladores. La severidad de la corrosión
aumenta con el aumento parcial de presión ytemperatura del CO2. Las picaduras de corrosión
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CO2 son de forma redonda, profundas con paredes
empinadas y bordes afilados. La picadura seinterconecta usualmente en líneas largas pero
ocasionalmente son individuales y aisladas. Las
bases de la picadura estarán llenas de escamas de
carbonato de hierro, un depósito gris que se adhiere
de manera suelta, generado del CO2.Las Figuras 19 y 20 muestran ejemplos típicos decorrosión por CO2. La Figura 19 es un ejemplo de
corrosión por CO2 en acopladores y la Figura 20 es
un ejemplo de corrosión CO2 en cuerpos de
varillas.
Corrosión de Metales Distintos
Una falla extremadamente rara, la corrosión demetales distintos pueden ocurrir cuando se juntan
dos metales con diferencias en potenciales de
solución juntos en la misma solución. Un metal
tiene una tendencia acentuada de corroerse antes
que el otro, y bajo ciertas condiciones de fluidos, el
metal menos noble se corroe a un ritmo más rápido.
La corrosión de metales distintos es normalmente
mayor cerca de la juntura de los dos metales.
Puesto que la mayoría de los materiales de las
varillas de bombeo son compatibles, esta falla no es
frecuente.
Corrosión por H2S
La picadura por H2S es redonda en su base, profunda con paredes empinadas y bordes
biselados. Normalmente es pequeña, aleatoria y
esparcida sobre toda la superficie de la varilla. Unsegundo corrosivo generado por H2S es escama de
sulfuro de hierro. Las superficies de la varilla de
bombeo y de la picadura estarán cubiertas de
escama negra que se adhiere de manera apretada.
La escama de sulfuro de hierro es sumamenteinsoluble y catódica al acero que tiende acelerar lastasas de penetración de la corrosión. Un tercer
mecanismo corrosivo es el resquebrajamiento por
hidrógeno, que ocasiona que la superficie de la
fractura tenga un aspecto granular o quebradizo. un
punto de inicio de grieta puede ser visible o no y
una parte de fatiga puede no estar presente en la
superficie de la fractura. El desgarramiento por
corte de una falla de resquebrajamiento por
hidrógeno es inmediato durante fractura debido a la
absorción del hidrógeno y la pérdida de ductilidad
en el acero. Aunque un ácido relativamente débil,
cualquier cantidad muy pequeña medible de H2S seconsidera justificación para programas de
inhibición química cuando cualquier cantidad muy
pequeña medible de agua también está presente.
Las Figuras 21 y 22 son ejemplos de corrosión porH2S. Las tres muestras de cuerpos de varilla a la
izquierda son ejemplos de corrosión localizada
(picadura) y las dos muestras de cuerpo de varilla ala derecha son ejemplos de corrosión general
adelgazante de corrosión de depósito debajo de
escamas. La muestra en la Figura 22 es un ejemplode falla de unión macho debido a agrietamiento por
hidrógeno.
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Corrosión Influenciada Microbiológicamente(MIC)
Alguna cantidad de forma de vida microscópica
está presente en esencialmente todo pozo productor.
De gran preocupación para las varillas de bombeo
son los organismos monocelulares capaces de viviren todo tipo de condiciones y de multiplicarse convelocidad increíble - denominados comúnmente
bacterias o “microbios”. Los fluidos sospechables
deben ser monitoreados continuamente en cuanto a
bacterias mediante muestreo, identificación y
conteo de las bacterias. La técnica de dilución por
extinción se usa comúnmente para hacer cultivos de
bacterias a fin estimar la cantidad de bacterias
presentes en el pozo. El bactericida debe usarse en
todos los fluidos sospechables para controlar
poblaciones de bacterias. Las bacterias se clasifican
de acuerdo con sus requisitos de oxígeno: aeróbicas
(requiere oxígeno), anaeróbicas (sin oxígeno), yfacultativas (una u otra). Algunas bacterias generan
H2S, producen enzimas o ácidos orgánicos, oxidan
hierro soluble en aguas producidas o cualquier
combinación de los anteriores.
MIC tiene las mismas características básicas deforma de picaduras del H2S, a menudo con
múltiples grietas por esfuerzo en la base de la
picadura, con tunelización alrededor del borde de la
picadura y/o anomalías inusitadas (es decir,
manchas brillosas) en la superficie de la varilla. Las
bacterias son muy agresivas y todos los grados delas varillas de bombeo se corroen rápidamente en
ambientes pozo abajo que contienen bacterias. Losreductores de sulfato (SRB) aquéllos que producen
H2S, causan probablemente más problemas a los
equipos de elevación artificial que cualquier otro
tipo de bacterias. El agrietamiento múltiple en las
bases de picaduras se origina del subproducto de
ácido sulfídrico del estilo de vida bacteriano que
corroe y resquebraja la superficie del acero bajo la
colonia.
La Figura 23 muestra varios ejemplos de corrosióninfluenciada microbiológicamente (bacterias) en
cuerpos de varilla de bombeo.
Corrosión Acrecentada por Oxígeno
La corrosión acrecentada por oxígeno será la más
prevaleciente en acopladores con pocos casos que
ocurren en resaltos de varillas. La corrosión
acrecentada por oxígeno se ve raramente en el
cuerpo de la varilla. De hecho, la corrosiónacrecentada por oxígeno agresiva puede desgastarlos acopladores sin dañar las varillas de bombeo en
cualquier lado. La tasa de corrosión acrecentada por
oxígeno es directamente proporcional a la
concentración de oxígeno disuelto, el contenido de
cloruros del agua producida y/o la presencia de
otros gases ácidos. El oxígeno disuelto puede
causar corrosión severa a concentraciones
extremadamente bajas y evaporar grandes
cantidades de metal. La picadura es usualmente
somera, con fondo plano y esparcida en su base con
la tendencia de una picadura para combinarse con
otra. Las características de conformación de picadura pueden incluir bordes afilados y lados
empinados si está acompañada de CO2 o amplios
cráteres lisos con bordes biselados si está
acompañada de H2S. Las tasas de corrosión
aumentan a la vez que aumentan lasconcentraciones del oxígeno disuelto.
Las Figuras 24 y 25 son ejemplos de corrosiónacrecentada por oxígeno. La muestra de acoplador a
la izquierda es un ejemplo de los efectos de la
corrosión por CO2 ampliada por oxígeno
(izquierda), corrosión por H2S (en el medio) ycorrosión por cloruro (derecha) mientras que las
muestras de las varillas en la Figura 25 exhíben losefectos de corrosión por CO2 acrecentada por
oxígeno cerca del resalto (izquierda) y la corrosión
por CO2 en el cuerpo de la varilla (derecha).
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Corrosión de Escamas
En las varillas de bombeo se debe impedir la
formación de escamas, tales como las de sulfato de
bario, carbonato de calcio, sulfato de calcio,
carbonato de hierro, óxido de hierro (herrumbre),
sulfuro de hierro y sulfato de estroncio. Aunque lasescamas en una varilla de bombeo retarda la tasa de
penetración de la corrosión, también reduce la
eficacia de los inhibidores químicos. La corrosión
localizada severa en forma de picadura sobreviene
en todo momento en que la escama se ve agrietada
por un movimiento de flexión o es removida por
abrasión.
Corrosión por Corrientes Desviadas
Raramente en la mayoría de los pozos productores,la corrosión por corriente desviada se refiere a las
corrientes eléctricas inducidas o desviadas que van
y vienen de la sarta de varillas. La corrosión por
corrientes desviadas puede ser ocasionada cuando
se conecta a tierra algún equipo eléctrico a la
tubería de revestimiento del pozo o debido asistemas de protección catódica cercanos. Los arcos
que se originan de las varillas de bombeo dejan un
hueco profundo de forma irregular con lados lisos,
bordes agudos y un cono pequeño en la base del
hueco. Los arcos que se originan de la tubería de
producción dejan huecos profundos con lados lisos
y bordes agudos que son de dimensiones aleatoriasy de forma irregular. Los huecos por corrosión de
corrientes desviadas por lo general son individuales
y aislados en una hilera por un lado de la varilla de
bombeo cerca de los resaltos.
Defectos de Fabricación
Las fallas debidas a los defectos de fabricación son
raras y ocurren pocas veces. Los defectos de
fabricación se reconocen fácilmente y es importanteque se entienda el aspecto que tienen estos defectos
si uno va a presentar de manera exacta
reclamaciones para reembolso de garantía. Ningúnfabricante está excluido de la posibilidad de
defectos de material o de mano de obra y los
siguientes ejemplos de fallas incluyen defectos de
toda fabricación.
La Figura 26 es un ejemplo de defectos de fábrica.Los defectos de fábrica ocurren a lo largo de unlado del cuerpo de la varilla y estas
discontinuidades normalmente tienen un fondo en
forma de "V" agudo, longitudinalmente cónico con
indicios de la costura longitudinal en la base. El
ejemplo en el extremo izquierdo es un ejemplo de
un fleco. El tercer cuerpo de la varilla empezando por la izquierda también es un ejemplo de un fleco.
Al pescar la falla de la varilla, el fleco se dobló
contra la superficie de la fractura. El segundo
cuerpo de varilla de la izquierda es un ejemplo de
una coagulación, Un fleco es un pequeño segmento
suelto o desgarrado y una coagulación es un
segmento grande suelto o desgarrado de material
enrollado longitudinalmente hacia dentro de lasuperficie de la barra. Un extremo del fleco o de la
costra normalmente está ligado metalúrgicamente al
cuerpo de varilla mientras que el otro extremo está
enrollado dentro de la superficie y adherido
físicamente. Las fallas de fatiga que surgen de
flecos o costras, tendrán un pedazo de material
suelto que sobresale por la parte de fatiga de la
superficie de la fractura. El segundo cuerpo de
varilla empezando por la izquierda es un ejemplode escama enrollada al interior. La escama
enrollada al interior es una discontinuidad
superficial causada cuando la escama (óxido de
metal), formado durante un calentamiento previo,no se ha quitado antes del proceso de laminación de
barra. La muestra del cuerpo de varilla en el
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extremo derecho es un ejemplo de un pliegue
laminante. Los pliegues laminantes sondiscontinuidades superficiales longitudinales que
tienen el aspecto de una costura de laminación, con
esquinas agudas dobladas y enrolladas al interior de
la superficie de la barra sin adhesión metalúrgica.
La Figura 27 es un ejemplo de defectos defraguado. La fractura empieza internamente abajode una grieta de forjado en la zona de resalto y es
de aspecto quebradizo o granular. Un punto de
inicio de la grieta puede que sea visible o no, y una
parte de la fatiga puede estar ausente en la
superficie de la fractura de fatiga. Los ejemplos de
la izquierda y en el medio ocurren como
consecuencia de bajas temperaturas de fraguado. El
ejemplo a la izquierda es una falla de cierre frío y el
ejemplo en el medio es una falla de grieta de
fraguado. La fractura a la derecha es una falla
ocasionada por una costura longitudinal
subsuperficial ubicada cerca del extremo delmaterial de barra en bruto. Durante el proceso de
forjado, la orientación de esta discontinuidad
cambió transversalmente.
La Figura 28 es un ejemplo de fusión incipiente de borde de grano, un defecto de fabricación
extremadamente raro. Esta condición es causada
por el fraguado del extremo de resalto de la varilla
a una temperatura demasiado alta para el acero.Desgraciadamente, no existe inspección alguna que
descubra esta condición antes del despacho de lavarilla. Afortunadamente, estas cabillas quebradizas
normalmente se quiebran durante el enrosque.
Ningún punto de inicio de grieta es visible y
ninguna parte de fatiga estará presente en la
superficie de la fractura. Los pirómetros ópticos
sobre los equipos de fraguado prácticamente
eliminan este problema.
La Figura 29 es un ejemplo de defectos de proceso.El ejemplo inferior es una varilla de bombeoendurecida superficialmente y el ejemplo superior
es un acoplador que ha sido elaborado por un
trabajo de amoladura para reducir el diámetro. En
ambos ejemplos, una diferencia en la dureza delmaterial ha dado lugar a un ataque de corrosión
preferencial.
La Figura 30 es un ejemplo de un defecto defábrica y un defecto de maquinado. El ejemplo de
abajo es una falla debido a una inclusión interior
grande no metálica en la unión macho. La fractura
empezó internamente y tiene aspecto quebradizo ogranular. Un punto de inicio de la grieta puede ser
visible o no, y una parte de la fatiga puede estar
ausente en la superficie de la fractura de fatiga. El
ejemplo superior proviene de laminar las roscas de
las uniones macho dos veces. La laminación dos
veces ha achatado la cresta de las roscas de la unión
macho y no podrán lograr la carga de fricción
correcta exigida para el enrosque.
Su inversión inicial en las varillas de bombeo es
considerable. Además, los costos relacionados con
el reemplazo de las varillas de bombeo dañadasgeneralmente son mayores que el costo original de
la nueva sarta de varillas. La protección de suinversión y obtener la vida máxima de servicio de
su sarta es razonable. Es importante diagnosticar las
fallas de varillas con precisión e implementar
medidas correctivas para impedir casos futuros defallas. Este ensayo fotográfico tiene por objeto el
uso de guía de consulta en el análisis de fallas de
las varillas de bombeo. Explica cómo ocurren las
fallas de las varillas de bombeo y expone métodos
para identificar las características de los varios
mecanismos de fallas. En lo que respecta a las
fallas de las varillas de bombeo, no hay absolutos y
no hay dos fracturas que tengan aspectos físicos
exactamente iguales. Sin embargo, mediante elreconocimiento de indicios visuales y la
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identificación de características de los mecanismos
diferentes de fallas, se pueden tomar medidascorrectivas para impedir las fallas de las varillas de
bombeo, permitiendo así que el operador produzca
pozos marginalmente rentables y mayor eficacia en
función de los costos.
De los AutoresClayton T. Hendricks es Gerente de Ventas y de
Servicios Técnicos del Sector Internacional de
Operaciones de Varillas de Bombeo de Norris/A
Dover Resources Company, situada en Tulsa,
Oklahoma, EUA. Hendricks trabaja en Norris desde
hace 20 años y ha ocupado diversos cargos de
ingeniería y técnica. En 1991, Hendricks recibió el
cargo de Gerente de Servicios Técnicos antes de su
incorporación al cargo de Gerente de Ventas del
Sector Internacional en 1994. Hendricks obtuvo en
1980 la licenciatura en Ingeniería Mecánica de laUniversidad de Oklahoma State. Actualmente es
miembro de SPE, NACE y es un miembro del
equipo de trabajo del Comité API 1, Subcomité 11,
Equipos Operacionales de Campo.
Russell D. Stevens es Coordinador de ServiciosTécnicos de Norris Sucker Rod Operations en
Midland/Odessa, Texas. Stevens trabaja en Norris
desde hace 17 años y ha ocupado diversos cargos
de ventas y en servicios técnicos. Su experiencia
anterior incluye 10 años en Norris/O’Bannon.
Durante ese tiempo, llegó a ser Gerente de VentasDistrital para el grupo de productos de bombas de
fondo de pozo. En 1993, participó en ventas de lasvarillas de bombeo de Norris hasta 1996, cuando
fue ascendido al cargo de Coordinador de Servicios
Técnicos. Stevens es miembro de SPE, NACE y
ASM. Es miembro suplente del equipo de tareas del
Comité API 1, Subcomité 11, Equipos
Operacionales de Campo.
